Um amplificador operacional ou amp op é um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais de
entrada: um terminal designado por terminal inversor (-) e o outro identificado
por terminal não inversor (+). A tensão de saída é a diferença entre as
entradas + e -, multiplicado pelo ganho em malha aberta.
A saída do amplificador pode ser única ou diferencial, o que é menos comum. Os circuitos que utilizam
amp ops frequentemente utilizam a realimentação negativa (negative
feedback). Porque devido ao seu ganho elevado, o
comportamento destes amplificadores é quase totalmente determinado pelos
elementos de realimentação (feedback).
História
O amplificador operacional recebeu este nome
porque foi projetado inicialmente para realizar operações matemáticas utilizando
a tensão como uma analogia de outra quantidade. Esta é à base dos computadores analógicos onde os amp
ops eram utilizados para realizar as operações matemáticas básicas (adição, subtração, integração, diferenciação,
e outras). Neste sentido, um verdadeiro amplificador operacional é um elemento
do circuito ideal. Os amplificadores reais utilizados, feitos de transístores, válvulas, ou outros componentes amplificadores,
são aproximações deste modelo ideal.
Os amp ops foram
desenvolvidos na era das válvulas termoiônicas, onde eles eram usados em
computadores analógicos. Os amp op modernos são normalmente construídos em circuitos integrados, apesar de ocasionalmente
serem feitos com transistores discretos, e geralmente possuem parâmetros
uniformes com encapsulamentos e necessidades de
alimentação padronizados, possuindo muitos usos na eletrônica.
A maioria dos amp
ops simples duplos ou quádruplos disponíveis possuem uma pinagem padronizada
que permite que um tipo seja substituído por outro sem mudanças na pinagem. Um
amp op específico pode ser escolhido pelo seu ganho em malha aberta, largura de
banda, nível de ruído, impedância de entrada, consumo da potência, ou uma
combinação de alguns destes fatores. Historicamente, o primeiro amp op
integrado a tornar-se largamente disponível foi o Fairchild UA-709,
no final dos anos 60, porém isto foi rapidamente modificado
pela performance superior do 741, que é mais fácil de utilizar, e provavelmente
o mais conhecido da eletrônica - todos os principais fabricantes produzem uma
versão deste chip clássico.
O 741 possui transístores, e segundo os padrões modernos possui uma performance
considerada média. Projetos melhorados baseados no transístor FETsurgiram no final dos anos 70,
e as versões com MOSFET no início dos anos 80.
Há ainda os chamados amp ops Bi-FET, que combinam transístores
bipolares e MOSFETs, e que aproveitam as melhores características de ambos.
Bi-FETs típicos são os CA3130 e CA3140 da RCA.
O
uso em projetos eletrônicos
A possibilidade de usar os modelos em blocos dos
amplificadores operacionais durante o projeto de circuitos faz com que circuitos
complicados se tornem mais simples para se trabalhar e compreender,
especialmente em esquemas muito grandes.
Os amp ops podem ser usados como se tivessem propriedades idealizadas (ganho
infinito, dissipação de calor perfeita, resposta de frequência estável, impedância de entrada infinita, impedância de
saída nula, e outras respostas ideais).
Após o projeto inicial do circuito ter
sido concluído (e muitas vezes modelado em computador), amp ops específicos são
escolhidos de modo a ser o mais próximo possível dos critérios de projeto e de
custo. Pode ocorrer que um amp op com todos os parâmetros desejados
não possa ser encontrado e então procura-se o amplificador operacional que mais
se aproxime da sua função pretendida no seu sub-circuito.
O circuito projetado provavelmente precisará de modificações
para aceitar as qualidades dos amplificadores operacionais reais (performance
menos-que-perfeita em muitas áreas). O mesmo é feito para praticamente todas as
partes eletrônicas durante do desenvolvimento do projeto (onde estas também são
utilizadas como perfeitas), isto deve ser feito de modo a fazer com que os
componentes reais ajam os mais próximo possíveis dos ideais. Este processo de
desenvolver os circuitos com partes ideais e então ajusta-las de acordo com
suas versões reais é comumente verdadeiro em todos os componentes eletrônicos
incluindo capacitores, indutores, resistências, transistores, diodos, etc.
Após as modificações necessárias, o resultado é um circuito
final utilizando amp ops ideais. O objetivo do projeto é que qualquer erro ou
discrepância restante seja insignificante na prática.
Comportamento em Corrente Contínua
O ganho em malha aberta é definido como a amplificação da
entrada para a saída sem nenhuma realimentação (feedback) aplicada. Para a
maioria dos cálculos práticos, o ganho em malha aberta é definido
como infinito;
na realidade, entretanto, ele é limitado pela quantidade de tensão aplicada à
alimentação do amplificador operacional, (terminais Vs+ e Vs- no diagrama acima).
Os dispositivos típicos possuem um ganho de malha aberta em Corrente Contínua
entre 100,000 e 1 milhão. Isto permite que o ganho da aplicação seja ajustado
utilizando a realimentação negativa. Os amp ops possuem limites de performance
que o projetista deve manter em mente e muitas vezes trabalhar em torno disto.
Comportamento em Corrente Alternada
O ganho do amp op calculado em CC não se aplica a corrente alternada a
frequências mais altas. Isto ocorre devido às limitações do componente, tais
como sua largura de banda finita, e às
características em CA do circuito ao qual é colocado. O
problema mais bem conhecido no desenvolvimento de projetos com amp ops é a tendência
de estes ressonarem a Altas frequências, em que
mudanças na realimentação negativa mudam para realimentação positiva devido à
mudança de fase.
Os amp ops típicos, de baixo custo possuem uma largura de
banda de alguns MHz. Amp ops específicos e de alta velocidade podem atingir
uma largura de banda de centenas de MHz. Para circuitos de frequência
muito alta, um tipo completamente diferente de amp op, chamado amplificador
operacional de realimentação de corrente é frequentemente
usado.
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